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基于忆阻器的视杆细胞光感模型与电路设计

孙晶茹 马文静 王春华 薛晓勇

孙晶茹, 马文静, 王春华, 薛晓勇. 基于忆阻器的视杆细胞光感模型与电路设计[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250901
引用本文: 孙晶茹, 马文静, 王春华, 薛晓勇. 基于忆阻器的视杆细胞光感模型与电路设计[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250901

基于忆阻器的视杆细胞光感模型与电路设计

doi: 10.11999/JEIT250901 cstr: 32379.14.JEIT250901
基金项目: 国家自然科学基金(62171182, 62571183),湖南省自然科学基金(2025JJ50345),重庆市自然科学基金(CSTB2022NSCQ-MSX0770)
详细信息
    作者简介:

    孙晶茹:女,湖南大学信息科学与工程学院副教授,研究方向为忆阻神经网络、神经形态计算

    马文静:女,湖南大学信息科学与工程学院研究生,研究方向为忆阻器和神经形态计算

    王春华:男,湖南大学信息科学与工程学院教授,研究方向神经网络与非线性电路

    薛晓勇:男,复旦大学微电子学院研究员,研究方向存储器、存算一体数模混合集成电路设计

    通讯作者:

    孙晶茹 jt_sunjr@hnu.edu.cn

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62171182), Natural Science Foundation Project of Hunan(2025JJ50345), Natural Science Foundation Project of Chongqing, Chongqing Science and Technology Commission (CSTB2022NSCQ-MSX0770)
  • 摘要: 人类视觉系统通过多层神经元相互配合,实现了具备自适应性、灵敏度高、响应速度快的光感知功能。本文通过研究人类视觉系统中感光细胞的工作原理,提出了一种基于忆阻器的视杆细胞光感电路,并应用于脉冲相机。首先,通过总结视杆细胞感光过程中离子变化机制提出了视杆细胞数学模型。其次,提出两种忆阻器模型以模拟感光细胞中钠离子和钙离子通道的特性。之后,构建了视杆细胞光感电路,实现光电转换,电路具备自适应性,同时具有速度高、功耗低、动态范围广等优势。最后将视杆细胞光感电路应用于脉冲相机,电路仿真结果表明,与采用简化神经元光感电路和传统CMOS方案的脉冲相机相比,基于视杆细胞光感电路的脉冲相机转换速度提升了20%和150%,系统功耗相比于传统CMOS电路降低了30%。
  • 图  1  忆阻器电压电流特性曲线

    图  2  光感电路结构图

    图  3  视杆细胞光感电路感光阶段忆阻器阻值变化

    图  4  不同光照下,视杆细胞光感电路自适应效果对比

    图  5  不同光照下视杆细胞光感电路感光速度对比

    图  6  视杆细胞光感电路动态范围

    图  7  钠离子忆阻器Vth不同取值时的输出响应

    图  8  脉冲相机系统结构

    图  9  强光下脉冲相机成像结果

    图  10  n为16/14/10时脉冲相机运动物体成像结果

    图  11  不同R值下脉冲相机成像结果图

    表  1  离子忆阻器参数设置

    离子通道 $ {R}_{off} $ $ {R}_{on} $ $ {V}_{th} $ $ {V}_{h} $ $ {b}_{1} $ $ {b}_{2} $ $ {q}_{1} $ $ {q}_{2} $
    Na+ 1MΩ - –110 mV –119.5 mV 15 2 - -
    Ca2+ 1 MΩ 30 kΩ 50 mV 7 mV 18 –9.8 –0.51 –0.51
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出版历程
  • 修回日期:  2025-11-05
  • 录用日期:  2025-11-05
  • 网络出版日期:  2025-11-20

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